Der Quarzoszillator ist der Schlüssel zum Design digitaler Schaltungen. Normalerweise wird er beim Design von Schaltungen als Herzstück digitaler Schaltungen verwendet. Die gesamte Arbeit digitaler Schaltungen ist untrennbar mit dem Taktsignal verbunden. Der Quarzoszillator ist der Schlüsselknopf, der den normalen Start des gesamten Systems direkt steuert. Man kann also sagen, dass man beim Design digitaler Schaltungen den Quarzoszillator sehen kann.
I. Was ist ein Quarzoszillator?
Kristalloszillator bezieht sich im Allgemeinen auf zwei Arten von Quarzkristalloszillatoren und Quarzkristallresonatoren und kann auch direkt als Kristalloszillator bezeichnet werden. Beide werden unter Verwendung des piezoelektrischen Effekts von Quarzkristallen hergestellt.
Die Funktionsweise eines Quarzoszillators ist folgende: Wird an die beiden Elektroden des Kristalls ein elektrisches Feld angelegt, verformt sich der Kristall mechanisch. Wird hingegen mechanischer Druck auf die beiden Enden des Kristalls ausgeübt, erzeugt der Kristall ein elektrisches Feld. Dieses Phänomen ist reversibel. Durch Anlegen von Wechselspannungen an beide Enden des Kristalls erzeugt der Chip mechanische Schwingungen und gleichzeitig ein elektrisches Wechselfeld. Diese Schwingungen und das vom Kristall erzeugte elektrische Feld sind im Allgemeinen gering, aber bei einer bestimmten Frequenz erhöht sich die Amplitude deutlich – ähnlich der LC-Resonanz, die wir Schaltungsentwickler oft beobachten.
II. Klassifizierung von Quarzschwingungen (aktiv und passiv)
① Passiver Quarzoszillator
Ein passiver Kristall ist ein Kristall, im Allgemeinen ein unpolares Gerät mit zwei Stiften (einige passive Kristalle haben einen festen Stift ohne Polarität).
Passive Quarzoszillatoren sind im Allgemeinen auf die vom Lastkondensator gebildete Taktschaltung angewiesen, um das Schwingsignal (Sinuswellensignal) zu erzeugen.
② Aktiver Quarzoszillator
Ein aktiver Quarzoszillator ist ein Oszillator, üblicherweise mit 4 Pins. Aktive Quarzoszillatoren benötigen keinen internen Oszillator der CPU, um ein Rechtecksignal zu erzeugen. Eine aktive Quarzstromversorgung erzeugt ein Taktsignal.
Das Signal des aktiven Quarzoszillators ist stabil, die Qualität ist besser und der Verbindungsmodus ist relativ einfach, der Präzisionsfehler ist kleiner als bei einem passiven Quarzoszillator und der Preis ist höher als bei einem passiven Quarzoszillator.
III. Grundparameter des Quarzoszillators
Die grundlegenden Parameter des allgemeinen Quarzoszillators sind: Betriebstemperatur, Präzisionswert, Anpassungskapazität, Gehäuseform, Kernfrequenz usw.
Die Kernfrequenz des Quarzoszillators: Die Wahl der allgemeinen Quarzfrequenz hängt von den Anforderungen der Frequenzkomponenten ab, wie sie bei MCUs im Allgemeinen in einem Bereich von 4 M bis zu mehreren zehn M liegen.
Genauigkeit der Kristallschwingung: Die Genauigkeit der Kristallschwingung beträgt im Allgemeinen ±5PPM, ±10PPM, ±20PPM, ±50PPM usw., hochpräzise Taktchips liegen im Allgemeinen innerhalb von ±5PPM und für die allgemeine Verwendung werden etwa ±20PPM gewählt.
Die Anpassungskapazität des Quarzoszillators: Normalerweise kann die Kernfrequenz des Quarzoszillators durch Anpassen des Werts der Anpassungskapazität geändert werden. Derzeit wird diese Methode zum Anpassen des hochpräzisen Quarzoszillators verwendet.
Im Schaltungssystem hat die Hochgeschwindigkeits-Taktsignalleitung die höchste Priorität. Die Taktleitung ist ein empfindliches Signal. Je höher die Frequenz, desto kürzer muss die Leitung sein, um sicherzustellen, dass die Signalverzerrung minimal ist.
In vielen Schaltkreisen ist die Taktfrequenz des Quarzes sehr hoch, sodass auch die Energie störender Oberwellen stark ist. Oberwellen werden von den beiden Eingangs- und Ausgangsleitungen sowie von der Raumstrahlung abgeleitet. Wenn das PCB-Layout des Quarzoszillators nicht sinnvoll ist, kann es leicht zu starken Streustrahlungsproblemen kommen. Sobald dies auftritt, ist es schwierig, es mit anderen Methoden zu lösen. Daher ist es sehr wichtig, beim Layout der Leiterplatte auf das Layout des Quarzoszillators und der CLK-Signalleitungen zu achten.